CN109519344B - 风力涡轮机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及风力涡轮机。一种风力涡轮机（1），其包括轮毂（6）、连接到轮毂（6）的轴（14）、轴（14）被能旋转地支撑在其中的轴承壳体（10）、在轴承壳体（10）中支撑轴（14）的流体轴承（22），其中，流体轴承（22）布置在轴（14）的近端端部（17）处，轴（14）的近端端部（17）接近轮毂（6）定位，以及也在轴承壳体（10）中支撑轴（14）的滚子轴承（21），滚子轴承（21）布置在轴（14）的远端端部（18）处，并且其中，轴（14）的远端端部（18）远离轮毂（6）定位。风力涡轮机（1）的一个优点是，与滚子轴承相比，流体轴承（22）为甚至大的风力涡轮机提供带有高负载能力和能扩展性的轴承类型。

Description

风力涡轮机

技术领域

本发明涉及风力涡轮机。

背景技术

现代风力涡轮机转子叶片从纤维增强塑料构造。转子叶片通常包括具有圆整前缘和锋利后缘的翼型。转子叶片利用其叶片根部连接到风力涡轮机的轮毂。风力涡轮机的不断增大的大小和朝离岸涡轮机的趋势对风力涡轮机的轴的轴承的可维修性和鲁棒性提出了高要求。而且，由于大的风力涡轮机具有大的动态轴挠曲、高负载和低速度的事实，使得轴承工作且持续所要求的使用期限具有挑战性。如果主轴承需要替换，则使用用于承载驱动机构、在直驱风力涡轮机上的发电机和带有叶片的轮毂的滚子轴承或者滚珠轴承的常规风力涡轮机设计要求外部起重机能力。该类型的维修成本非常高，尤其对于离岸定位的风力涡轮机。

发明内容

本发明的一个目的是提供改善的风力涡轮机。

因此，提供一种风力涡轮机。风力涡轮机包括轮毂、连接到轮毂的轴、轴被能旋转地支撑在其中的轴承壳体、在轴承壳体中支撑轴的流体轴承，其中，流体轴承布置在轴的近端端部处，其中，轴的近端端部接近轮毂定位，以及也在轴承壳体中支撑轴的滚子轴承，其中，滚子轴承布置在轴的远端端部处，并且其中，轴的远端端部远离轮毂定位。

流体轴承为甚至大的风力涡轮机提供带有高负载能力和能扩展性的轴承类型。如果使用分段轴承，则流体轴承还容易进行现场更换。在轴的上风位置处的流体轴承与在轴的下风位置处的滚子轴承的组合是有成本效益且低重量的解决方案。当其是分段的时候，能够容易地更换更高负载的流体轴承。能够提供有成本效益且轻的涡轮机结构，其允许所有主轴承的现场替换。不需要起重机或者起重船来替换主轴承。

流体轴承被布置在其处的部位能够被命名为上风部位或者上风位置。流体轴承能够因此被命名为近端轴承、近端主轴承、上风轴承或者上风主轴承。滚子轴承布置在其处的部位能够被命名为下风部位或者下风位置。滚子轴承能够因此被命名为远端轴承、远端主轴承、下风轴承或者下风主轴承。轴的近端端部能够被命名为第一端部，且轴的远端端部能被命名为第二端部。“近端”意味着靠近轮毂，且“远端”意味着远离轮毂，即，不靠近轮毂。

风力涡轮机的轴布置包括轴承壳体、轴、滚子轴承和流体轴承。滚子轴承、滚动元件轴承或者滚动轴承优选地是一种轴承，其通过将滚动元件（诸如球或者滚子）置放在称为座圈的两个轴承环之间来承载负载。座圈的相对运动引起滚动元件在非常小的滚动阻力且小的滑动的情况下滚动。轴能够围绕轴线或旋转轴线在轴承壳体中旋转。风力涡轮机还包括连接到轮毂的叶片。

流体轴承或流体膜轴承是其中通过在轴承表面之间的快速移动的加压液体或者气体的薄层支撑负载的轴承。由于在移动的部分之间没有接触，所以没有滑动摩擦，从而允许与许多其他类型的轴承相比，流体轴承具有更低的摩擦、磨损和振动。流体轴承能够被宽泛地分成两种类型：流体动力轴承（Fluid dynamic bearing）（也称为液体动压轴承）和液体静压轴承。液体静压轴承是外部加压的流体轴承，其中，流体通常是油、水或者空气，且加压通过泵完成。液体动压轴承依赖于轴颈（轴的安置在流体上的部分）的高速度来加压在面之间的楔形部中的流体。优选地，流体轴承是液体静压轴承。

根据实施例，流体轴承是分段的。这意味着，流体轴承具有被分成各种分段的轴承表面。这些分段能够被单独地更换。

根据另外的实施例，流体轴承是倾斜垫轴承。倾斜垫轴承在枢轴上具有部分座（sectional shoe）或者垫。当倾斜垫轴承在操作中时，倾斜垫轴承的旋转部分通过粘性阻力将新鲜的油运送到垫区域中。流体压力引起垫略微倾斜，从而在座和其他轴承表面之间创建窄的收缩。在该收缩后方构建加压流体的楔形部，从而将移动的部分分离。垫的倾斜随着轴承负载和速度适应性地改变。各种设计细节确保油的连续补充，以避免过热和垫损坏。

根据另外的实施例，滚子轴承是具有X-构型的双列圆锥滚子轴承、球状滚子轴承、双列圆锥滚子轴承或者三列圆柱滚子轴承。在具有X-构型的双列圆锥滚子轴承的情况中，这意味着，滚子轴承具有两列圆锥滚子。这两列以如下方式布置，使得圆锥滚子的旋转轴线布置在X-位置中。然而，能够使用任何其他类型的滚子轴承。

根据另外的实施例，流体轴承仅承受沿轴的径向方向作用的负载。径向方向垂直于轴的旋转轴线布置。流体轴承不能承受沿轴的轴向方向作用的负载。

根据另外的实施例，滚子轴承承受沿轴的径向方向作用的负载和沿轴的轴向方向作用的负载。沿轴向方向作用的负载能够被命名为轴向负载。沿径向方向作用的负载能够被命名为径向负载。轴向方向平行于轴的轴线定位。

根据另外的实施例，相比滚子轴承的直径，流体轴承的直径更大。与流体轴承相比，滚子轴承通常负载更轻。由于轮毂和叶片的重量，所以流体轴承通常有非常高的径向负载。滚子轴承经受更轻的负载，且因此在已知的滚子轴承专有技术和大小约束内，其更容易制造。

根据另外的实施例，轴是中空的。因此，能够实现重量减小。替代地，轴能够是实心的。轴优选地布置在轴承壳体内侧。

根据另外的实施例，风力涡轮机还包括发电机，其中，发电机被安装到轴的近端端部。这意味着，靠近流体轴承安装发电机。当发电机被安装在轴的上风位置处时，在下风位置处的滚子轴承能够被现场拆卸和替换，因为轴的远端端部是自由的。换言之，没有东西被安装到轴的远端端部。该类型的风力涡轮机能够被称为直驱风力涡轮机。

根据另外的实施例，发电机被安装到轴承壳体的近端端部。这意味着，发电机被安装到轴的近端端部以及轴承壳体的近端端部。

根据另外的实施例，发电机被安装到轴的近端凸缘以及轴承壳体的近端凸缘。例如，轴承壳体的近端凸缘能够被连接到发电机的定子，且轴的近端凸缘能够被连接到发电机的转子，且反之亦然。

根据另外的实施例，风力涡轮机还包括发电机，其中，发电机被安装到轴的远端端部。这意味着，靠近滚子轴承安装发电机。齿轮箱也能够被安装到轴的远端端部。

根据另外的实施例，风力涡轮机还包括塔，其中，轴承壳体被连接到塔。轴承壳体优选地能够相对于塔旋转。轴承壳体能够被布置在机舱内侧。轴承壳体能够是机舱的一部分。

根据另外的实施例，轴被成形为锥形，其中，轴从其近端端部朝其远端端部变窄。优选地，轴具有截头锥的形状。轴的直径从近端端部朝远端端部逐渐减小。

根据另外的实施例，轴承壳体被制成为一体件。优选地，轴承壳体是铸造件。轴承壳体也能够是组合的单元。尤其，轴承壳体能够包括两个分离的单元，或者可以甚至是齿轮箱的集成部分。

“风力涡轮机”当前指的是将风的动能转化成旋转能的设备，所述旋转能可以再次被设备转化成电能。

本发明的更多可能的实施方式或者替代解决方案还包括在上文或者下文中关于实施例描述的特征的组合，其在本文中未明确提到。本领域技术人员还可以为本发明的最基本形式增加个别或者单独的方面和特征。

附图说明

从结合附图的随后描述和从属权利要求，本发明的另外的实施例、特征和优点将变得显而易见，在附图中：

图1是根据一个实施例的风力涡轮机的透视图；

图2是根据一个实施例的风力涡轮机转子叶片的透视图；

图3是根据一个实施例的轴布置的截面视图；以及

图4是根据图1的风力涡轮机的透视截面视图。

在附图中，除非另外指示，否则类似的附图标记指定类似或者功能上等同的元件。

具体实施方式

图1示出根据一个实施例的风力涡轮机1。

风力涡轮机1包括连接到布置在机舱3内侧的发电机（未示出）的转子2。机舱3布置在风力涡轮机1的塔4的上端处。转子2包括三个转子叶片5。转子叶片5连接到风力涡轮机1的轮毂6。该类型的转子2可以具有范围从例如30到160米或者甚至更大的直径。转子叶片5经受高的风载荷。同时，转子叶片5需要是轻质的。出于这些原因，在现代风力涡轮机1中的转子叶片5从纤维增强的复合材料制造。其中，由于成本原因，相比碳纤维，通常优选玻璃纤维。通常，使用具有单向纤维垫的形式的玻璃纤维。

图2示出根据一个实施例的转子叶片5。

转子叶片5包括空气动力学地设计的部分7和用于将转子叶片5连接到轮毂6的叶片根部8，所述空气动力学地设计的部分7被成形为用于风能的最优利用。

图3示出根据一个实施例的轴布置9。

轴布置9被布置在机舱3内侧，和/或是机舱3的部分。轴布置9被布置成支撑轮毂6使其能旋转。轴布置9包括轴承壳体10。轴承壳体10能够是组合的单元。此外，轴承壳体还可以包括两个分离的单元，或者可以甚至是齿轮箱（未示出）的集成部分。轴承壳体10是中空的且包括第一端部或者近端端部11，其布置成靠近或者接近轮毂6（在图3中未示出）。轴承壳体10还包括第二端部或者远端端部12，其布置成离开轮毂6或者远离轮毂6。轴承壳体10还包括凸缘13，其用于将发电机（未示出）安装到轴承壳体10。凸缘13能够被命名为第一发电机凸缘或者近端凸缘。

轴布置9还包括轮毂轴、主轴或者轴14，其连接到轮毂6。轮毂6能够借助于螺钉和/或螺栓连接到轴14。轴14具有凸缘15，其用于将轴14连接到轮毂6。凸缘15能够被命名为轴14的轮毂凸缘或者第一凸缘。轴14被能旋转地支撑在轴承壳体10中。这意味着，轴能够相对于轴承壳体10围绕旋转轴线16旋转。轴14被示出为大的薄壁结构。其也可以是常规的轴，就任何风力涡轮机1方面来说，带有两个主轴承和轴。

轴14具有第一端部或者近端端部17。近端端部17布置成靠近或者接近轮毂6。尤其，轴14的近端端部17定位在轴承壳体10的近端端部11处。轴14还具有第二端部或者远端端部18。远端端部18布置成离开轮毂6或者远离轮毂6。尤其，轴14的远端端部18定位在轴承壳体10的远端端部12处。

如能够从图3看到的，轴14是中空的。轴14具有凸缘19，其用于将前述发电机安装到轴14。凸缘19能够被命名为轴14的近端凸缘、第二发电机凸缘或者第二凸缘。例如，轴承壳体10的凸缘13能够被连接到发电机的定子，且轴14的凸缘19能够被连接到发电机的转子，或者反之亦然。轴14还具有用于齿轮箱或者发电机底座的凸缘20。凸缘20能够被命名为轴14的远端凸缘或者第三凸缘。

轴布置9具有滚子轴承21，其在轴承壳体10的远端端部12和轴14的远端端部18处在轴承壳体10中支撑轴14。在其处布置滚子轴承21的位置能够被命名为下风位置。滚子轴承、滚动元件轴承或者滚动轴承是一种轴承，其通过将滚动元件（诸如球或者滚子）置放在称为座圈的两个轴承环之间来承载负载。座圈的相对运动引起滚动元件在非常小的滚动阻力且小的滑动的情况下滚动。滚子轴承21能够被称为第一轴承、下风轴承、下风主轴承或者远端轴承，因为其布置成远离轮毂6。滚子轴承21具有内径d21。

滚子轴承21被布置成沿轴14的轴向方向A和径向方向R两者承受负载FA、FR。滚子轴承21能够是任何类型的滚子轴承，例如，球状滚子轴承、双列圆锥滚子轴承、三列圆柱滚子轴承或类似物。用于滚子轴承21的优选轴承类型是具有X-构型的双列圆锥滚子轴承，因为该轴承类型对轴弯曲具有小的阻力并且具有高的径向负载能力以及足够的轴向负载能力。但是滚子或者滚珠轴承的任何组合能够被用于在轴14的远端端部18处支撑轴14。

轴布置9还具有流体膜轴承或者流体轴承22，其在轴承壳体10的近端端部11和轴14的近端端部17处将轴14支撑在轴承壳体10中。在其处布置流体轴承22的位置能够被命名为上风位置。流体轴承22能够被命名为第二轴承、上风轴承、上风主轴承或者近端轴承，因为其布置成接近轮毂6。流体轴承22布置成仅沿轴14的径向方向R承受负载FR而不沿其轴向方向A承受负载。流体轴承22具有内径d22。流体轴承22的内径d22大于滚子轴承21的内径d21。

流体轴承是其中通过在轴承表面之间的快速移动的加压液体或者气体的薄层支撑负载的轴承。由于在移动的部分之间没有接触，所以没有滑动摩擦，从而允许与许多其他类型的轴承相比，流体轴承具有更低的摩擦、磨损和振动。流体轴承能够被宽泛地分成两种类型：流体动力轴承（也称为液体动压轴承）和液体静压轴承。液体静压轴承是外部加压的流体轴承，其中，流体通常是油、水或者空气，且加压通过泵完成。液体动压轴承依赖于轴颈（轴的安置在流体上的部分）的高速度来加压在面之间的楔形部中的流体。

优选地，流体轴承22是液体静压轴承。尤其，流体轴承22是分段的，以便轴承部件能够被现场替换。这意味着，没有轴布置9和/或风力涡轮机1的拆卸。优选地，流体轴承22是倾斜垫轴承。倾斜垫轴承在枢轴上具有部分座或者垫。当倾斜垫轴承在操作中时，倾斜垫轴承的旋转部分通过粘性阻力将新鲜的油运送到垫区域中。流体压力引起垫略微倾斜，从而在座和其他轴承表面之间创建窄的收缩。在该收缩后方构建加压流体的楔形部，从而将移动的部分分离。垫的倾斜随着轴承负载和速度适应性地改变。各种设计细节确保油的连续补充，以避免过热和垫损坏。

使用滚子轴承21而不是第二流体轴承是非常有成本效益的解决方案，其原本将需要两个分离的流体膜轴承来替换滚子轴承21。即，用于径向负载的第一轴承和用于轴向负载的第二轴承以及在上风位置处的另一流体膜轴承。这意味着，总共三个轴承。与流体轴承22相比，滚子轴承21通常负载更轻。由于轮毂6和转子叶片5的重量，所以流体轴承22通常有非常高的径向负载FR。滚子轴承21负载更轻，且因此在已知的滚子轴承专有技术和大小约束内更容易制造。

图4示出根据图1的风力涡轮机1的详细视图。

如从图4能够看到的，发电机23被安装到轴承壳体10和轴14的凸缘13、19。在其中发电机23被安装在轴14的上风位置处的图4的构型中，在下风位置处的滚子轴承21能够被现场拆卸和替换，因为轴14的远端端部18是自由的。换言之，没有东西被安装到轴14的远端端部18。如从图4能够看到的，轴承壳体10被安装到塔4。

然而，轴布置9还能够与传统的齿轮传动的风力涡轮机（未示出）一起使用。在该情形中，替换滚子轴承21是更加劳动密集的，因为齿轮箱紧靠在轴14的凸缘20处的滚子轴承21安装。

替代实现方式（未示出）是，滚子轴承21是齿轮箱的集成部分。在该情形中，滚子轴承21将与齿轮箱一起替换，且在现场将通过更换分段来替换流体轴承22。还可能在上风位置和下风位置两者处使用流体轴承。然而，这涉及更高的质量以及更复杂的结构。

带有轴布置9的风力涡轮机1具有如下优点。流体轴承22为甚至更大的风力涡轮机提供带有高负载能力和能扩展性的轴承类型。如果使用分段的或者倾斜垫轴承，则流体轴承22还容易进行现场更换。然而，为了实现推力轴承和径向轴承二者，其要求一种结构，其能够利用单个双列圆锥滚子轴承21更轻且更便宜地实现。该滚子轴承21能够被使用且仍然维持现场更换所有轴承部分的可能性。

其中分段是优选的以便执行现场替换的在上风位置处的流体轴承22与在下风位置处的滚子轴承21的组合是有成本效益且低重量的解决方案。当其是分段的或者倾斜垫轴承时，能够容易地更换更高负载的流体轴承22。能够提供有成本效益且轻的涡轮机结构，其允许所有主轴承21、22的现场替换。

虽然已经根据优选实施例描述了本发明，但是对于本领域技术人员显而易见的是，在所有实施例中，修改是可能的。

Claims (12)

1.一种风力涡轮机（1），其包括：

轮毂（6）；

连接到所述轮毂（6）的轴（14）；

轴承壳体（10），所述轴（14）被能旋转地支撑在所述轴承壳体（10）中；

在所述轴承壳体（10）中支撑所述轴（14）的流体轴承（22），其中，所述流体轴承（22）布置在所述轴（14）的近端端部（17）处，其中，所述轴（14）的所述近端端部（17）接近所述轮毂（6）定位；

也在所述轴承壳体（10）中支撑所述轴（14）的滚子轴承（21），其中，所述滚子轴承（21）布置在所述轴（14）的远端端部（18）处，其中，所述轴（14）的所述远端端部（18）远离所述轮毂（6）定位；以及

发电机（23），所述发电机（23）被安装到所述轴（14）的所述近端端部（17），

其中，所述轴承壳体（10）布置在所述风力涡轮机（1）的机舱的内侧，或者是所述机舱的一部分，

其中，所述流体轴承（22）仅承受沿所述轴的径向方向（R）作用的负载（FR），并且

其中，所述轴（14）的所述远端端部（18）是自由的。

2.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中，所述流体轴承（22）是分段的。

3.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机，其中，所述流体轴承（22）是倾斜垫轴承。

4.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机，其中，所述滚子轴承（21）是具有X-构型的双列圆锥滚子轴承、球状滚子轴承、双列圆锥滚子轴承或者三列圆柱滚子轴承。

5.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机，其中，所述滚子轴承（21）承受沿所述轴（14）的径向方向（R）作用的负载（FR）和沿所述轴（14）的轴向方向（A）作用的负载（FA）。

6.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机，其中，所述流体轴承（22）的直径（d22）大于所述滚子轴承（21）的直径（d21）。

7.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机，其中，所述轴（14）是中空的。

8.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中，所述发电机（23）被安装到所述轴承壳体的近端端部（11）。

9.根据权利要求8所述的风力涡轮机，其中，所述发电机（23）被安装到所述轴（14）的近端凸缘（19）且安装到所述轴承壳体（10）的近端凸缘（13）。

10.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机，其还包括塔（4），其中，所述轴承壳体（10）被连接到所述塔（4）。

11.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机，其中，所述轴（14）被成形为锥形，以及其中，所述轴（14）从其近端端部（17）朝其远端端部（18）变窄。

12.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机，其中，所述轴承壳体（10）被制成一体件。

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